Como funcionam os carros elétricos híbridos?

O que é um powertrain?

O powertrain não é apenas o motor de um veículo: inclui todos os componentes envolvidos na transformação da energia cinética em propulsão. Portanto, inclui também a transmissão, embreagem, eixo motor, diferencial e eixos.

O motor de combustão interna

Inventado no final dos anos 1700 e colocado em uso prático no início dos anos 1800, o motor de combustão interna (IC) encontrado hoje em carros e caminhões está disponível em dois tipos básicos:

• Ignição por faísca (SI) - este motor mistura ar e gasolina nos cilindros e os acende usando uma faísca gerada por uma vela montada na parte superior da câmara do cilindro. Este é o motor a gasolina clássico.

• Ignição por compressão (CI) - este motor injeta ar nos cilindros e depois o comprime. Em seguida, o óleo diesel é pulverizado no ar comprimido quente, causando sua ignição. Não é necessária vela de ignição. A maioria dos caminhões são equipados com motores a diesel porque são mais duráveis ​​​​e fornecem mais torque, o que é importante na movimentação de cargas pesadas.

Os motores SI (gasolina) e CI (diesel) funcionam por combustão. Quando a mistura ar-combustível é inflamada (por faísca ou compressão), ocorre um processo exotérmico no qual a energia química do combustível é liberada, produzindo alta temperatura e pressão. Essa expansão empurra os pistões para dentro de seus cilindros.

Quando o motorista pressiona o acelerador, os cilindros disparam mais rapidamente e o virabrequim gira mais rápido. 

A figura acima representa um típico veículo com tração traseira. Configurações de tração dianteira e integral também estão comumente disponíveis hoje.

O motor elétrico

Existem dois tipos básicos de motores elétricos CA disponíveis hoje:

• Motor síncrono - o rotor gira na mesma velocidade que o campo magnético rotativo criado pelo estator. Vantagens: alto torque em baixas velocidades e pode ser fisicamente menor e mais leve que os motores assíncronos.

• Motor assíncrono (indução) - o rotor não gira na mesma velocidade que o campo magnético rotativo criado pelo estator. Está sempre tentando “alcançar” nesse sentido.

Embora alguns sistemas do carro funcionem com energia CC, como faróis, eletrônicos de entretenimento e navegação, etc., o motor funciona com energia CA trifásica. Portanto, um inversor é usado para converter a energia CC das baterias em CA para o motor.

Os eletromotores síncronos consistem em um estator e um rotor em squirrel-cage.

Um estator é um enrolamento de três bobinas. “Estator” refere-se à palavra “estacionário”, ou seja, a parte do motor que não gira. Os enrolamentos são dispostos com precisão nas ranhuras do estator, que consistem em laminações altamente permeáveis ​​dentro da estrutura de aço ou ferro fundido. Quando uma corrente CA trifásica passa pelos enrolamentos, ela produz um campo magnético rotativo (RMF). 

Como sabemos pela física básica, quando uma corrente elétrica passa por um fio ela gera um campo magnético. Quando a energia trifásica é fornecida a bobinas dispostas a 120° de distância, o campo magnético produzido irá “girar”, conforme mostrado na figura abaixo:

Um rotor squirrel-cage girando livremente é colocado dentro do estator fixo. O campo magnético rotativo gerado pelo estator induz torque no rotor, fazendo-o girar. Quando o driver pressiona o acelerador, mais corrente é enviada ao estator e o rotor gira proporcionalmente mais rápido.

O powertrain híbrido

No nível mais simples, um powertrain híbrido é aquele que combina um motor de combustão interna (ICE) com um motor elétrico (EM). Os carros híbridos normalmente usam direção elétrica em baixas velocidades, enquanto o ICE assume o controle em velocidades mais altas. O híbrido mais conhecido no mercado hoje é o Toyota Prius. Todos os principais fabricantes de automóveis já adicionaram ou irão em breve adicionar veículos híbridos e puramente elétricos às suas ofertas de produtos.

Embora seja possível que o ICE em um híbrido seja um motor diesel, quase todos os híbridos hoje incorporam um motor a gasolina.

Características especiais dos veículos híbridos

Motor de combustão menor

Como o motor elétrico fornece grande parte do trabalho de propulsão, o motor de combustão interna pode ser menor. Um motor IC menor significa maior economia de combustível e menos poluição.

Alto torque e potência de pico

Os eletromotores fornecem alto torque e alta potência de pico. Os motores IC não são muito eficientes para superar a inércia e fazer um veículo parar, mas os motores elétricos são excelentes nesta área. O resultado é um maior desempenho do veículo.

Recuperação de energia

Com os motores de combustão interna tradicionais, o combustível líquido só pode ser substituído parando o veículo e reabastecendo o tanque de combustível de uma fonte externa.

No entanto, o sistema de trem de força elétrico é “bidirecional”. O eletromotor pode devolver energia ao sistema de bateria durante a operação do sistema. Isto é conseguido através da travagem regenerativa , que converte energia cinética em eletricidade. O processo de captação dessa eletricidade gerada pelo freio é denominado recuperação .

A frenagem dinâmica usada pelos carros de combustão interna utiliza pastilhas de freio e fricção para desacelerá-los e pará-los. Nesse caso, a energia cinética gerada pelo carro é dissipada na forma de calor e perdida, resultando em menor eficiência de combustível.

Porém, a frenagem regenerativa utiliza o motor elétrico. Quando invertido, o motor elétrico coloca uma carga nas rodas motrizes, desacelerando-as. Quando invertido, um motor elétrico se torna um gerador – convertendo a energia cinética do veículo em desaceleração em eletricidade. Essa energia é direcionada de volta para o sistema de bateria.

De acordo com o Departamento de Energia dos EUA, um sistema de travagem regenerativa pode obter até 22% de energia recuperada durante uma combinação de condução urbana e rodoviária. Os veículos elétricos têm apenas 15% a 20% de perda de energia, em comparação com 64% a 75% dos veículos ICE. Eles consideram que os veículos elétricos são 60% a 73% eficientes. Se considerarmos adicionalmente os efeitos positivos da perda mínima de energia durante a marcha lenta e a frenagem regenerativa, esta eficiência melhora de 73% para 100%.

Deve-se notar que os freios de fricção convencionais ainda são usados ​​em paralelo, porque os freios regenerativos podem não desacelerar o veículo tão rápido quanto necessário. Além disso, eles podem não conseguir parar o veículo completamente ou evitar que ele role quando o carro estiver em uma colina. Devido ao seu princípio de funcionamento, os freios regenerativos são chamados de Sistemas de Recuperação Cinética (KERS).

Fontes de propulsão redundantes

Ao contrário dos veículos convencionais de combustão interna ou puramente elétricos, os veículos elétricos híbridos podem ser movidos pelo motor de combustão, pelo motor elétrico ou por ambos. 

Reabastecimento mais rápido

Ao contrário dos veículos totalmente elétricos, um veículo híbrido possui um sistema ICE a bordo que pode ser reabastecido em poucos minutos. As baterias do motor elétrico podem ser recarregadas pelo motor de combustão interna durante a operação ou quando o veículo está parado e conectado a uma fonte de energia elétrica.

Tipos de motores híbridos hoje

Existem várias configurações de HEV (veículos elétricos híbridos) hoje:

Série HEV

Nos veículos elétricos híbridos em série, o motor de combustão interna não está diretamente conectado ao sistema de transmissão, mas é usado para alimentar o motor elétrico.

HEV Paralelo (PHEV)

Nos veículos elétricos híbridos paralelos, o motor de combustão interna e o motor eléctrico estão ligados de forma independente à transmissão do veículo, para que ambos possam fornecer propulsão ao mesmo tempo... em paralelo. Quando a bateria fica fraca, o motor de combustão interna pode assumir a direção do carro.

HEV série-paralelo (SPHEV)

Em veículos elétricos híbridos série-paralelo, o motor de combustão interna e o motor elétrico são usados ​​para propulsão em paralelo. Um segundo motor elétrico é usado para carregar a bateria. O Prius HEV mais vendido da Toyota é um veículo híbrido de série paralela.

Híbrido plug-in (PHEV)

Nos carros híbridos padrão, o sistema de bateria é recarregado pelo motor a gasolina e pela frenagem regenerativa. Mas um PHEV pode ser conectado a uma fonte de energia externa para carregar as baterias. Os híbridos plug-in têm uma bateria de maior capacidade do que os híbridos padrão e, portanto, têm uma autonomia de condução mais longa quando alimentados apenas pelo motor elétrico.

Prós e contras dos veículos elétricos híbridos

Prós:

• HEVs são mais eficientes em termos de combustível do que veículos ICE

• HEVs produzem menos poluição por CO2 do que veículos ICE

• HEVs têm melhor torque em baixa velocidade do que a maioria dos veículos ICE

• Ao contrário dos veículos elétricos puros, os HEVs podem funcionar com gasolina para condução de longa distância

• Acusticamente mais silencioso que um veículo ICE devido ao menor motor a gasolina 

• Mais barato que a maioria dos veículos elétricos (EV)

Contras:

• Custo inicial mais alto do que veículos ICE padrão

• Os reparos no sistema elétrico são geralmente mais caros do que nos veículos ICE

• Menos desempenho em alta velocidade do que a maioria dos veículos ICE e elétricos puros

• Não é tão silencioso acusticamente quanto um veículo elétrico puro (EV)

• Os VEH produzem mais poluição por CO2 do que os VE, que não produzem nenhuma. 

* Observação: as baterias EV são normalmente carregadas na rede elétrica. Em 2021, 61% da eletricidade nos EUA foi gerada por combustíveis fósseis. Na Europa, este número foi de 76%, e na Ásia/Pacífico este número foi de 85%. Consulte IRENA.org para obter mais detalhes.

Tendências da indústria

Os carros elétricos híbridos foram introduzidos globalmente em 2001, e os veículos elétricos em 2010. Em 2021, as vendas de carros elétricos híbridos nos EUA ultrapassaram 800.000, representando 5% das vendas de veículos leves nos EUA. Mais da metade deles eram da Toyota.

Os carros elétricos puros também aumentaram para quase 500 mil, e os híbridos plug-in se aproximaram de 200 mil. Mas embora seja impressionante, menos de 1% de todos os veículos que circulam nas estradas nos EUA são HEV, PHEV ou EV. Segundo estimativas, até 2050, cerca de 50% dos veículos nas estradas nos EUA serão HEV, PHEV ou EV. Em termos percentuais, o Japão lidera o mundo na adoção de carros HEV e EV, os EUA estão em segundo e a Europa em terceiro.

Conclusão

Os veículos HEV e EV vieram para ficar. A sua popularidade está a aumentar rapidamente e são uma forma importante de reduzirmos e, algum dia, eliminarmos a nossa dependência dos combustíveis fósseis e das suas emissões de CO2.